用于聚焦助听器的波束形成器的方法

用于聚焦助听器的波束形成器的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于聚焦助听器的波束形成器的方法。本发明的任务在于，实现可以舒适和直观利用的、波束宽度和/或波束方向的自动适配。本发明的基本思路在于一种用于聚焦助听器的波束形成器的方法，包括步骤：-采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置，-在采集到头部运动的停止时，取决于方向地采集声音信号，-然后相对于来自于其他空间角度的声音信号，对来自于助听器用户的头部前面的焦点空间角度的声音信号的放大进行增强，并且由此激活或提高方向性，-然后一直通过缩小焦点空间角度逐渐聚焦，并且由此提高方向性，直到来自于焦点空间角度的声音信号的电平，实际上是在焦点空间角度中的期望的信号的出现由于焦点空间角度缩小而减小。
【专利说明】用于聚焦助听器的波束形成器的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于聚焦助听器的波束形成器的方法。
【背景技术】
[0002]助听器例如可以实施为被戴在外耳上或者在耳道内的助听设备。助听设备用来给听力损伤的人提供声音环境信号，所述声音环境信号为了补偿或治疗相应的听力损伤而被处理和放大。助听设备原则上由一个或多个输入变换器、信号处理装置、放大装置和输出变换器组成。输入变换器通常是声波接收器(例如麦克风)和/或电磁接收器(例如感应线圈)。输出变换器大多作为电声变换器(例如微型扬声器)或者作为电子机械变换器(例如骨导耳机)，或者作为用于刺激耳蜗的刺激电极来实现。其也被称为听筒或接收器。输出变换器产生输出信号，所述输出信号为了让患者听见而被传导并且会使患者产生听觉。放大器通常集成在信号处理单元内。助听器的供电通过集成在助听设备壳体内的电池进行。助听设备的主要组件通常布置在作为电路载体的印刷电路板上或者与之相连。
[0003]对于助听器用户来说极其困难的是，理解或仅在一定的方向上听到单个说话者，特别是在具有多个声源的有问题的声音环境中(例如所谓的鸡尾酒会情形)。为了改善定向的、聚焦的听力或语音理解，公知在助听设备中插入所谓的波束形成器，以便通过将其他噪声比期望的声音信号更弱地放大来强调相应的声源，例如说话者。波束形成器的使用以存在方向性的(direktionalen)麦克风装置为前提，这需要在空间上分离地布置的至少两个麦克风。在唯一一个助听器处的两个麦克风就足以实现麦克风装置的方向性的，也就是空间上定向的灵敏度。助听器中方向性能力的扩展可以通过如下来实现，即，将双耳助听系统的两个助听器的麦克风联合为一个方向性的麦克风装置。这一点以两个助听设备的优选无线的连接(无线链路，e2e=Ear-to-Ear,耳到耳)为前提。
[0004]在具有方向性的麦克风装置和波束形成器的助听器中存在如下问题，S卩，确定波束形成器应当指向的方向，以及找到波束的最佳的宽度，也就是最佳的开放角度。换言之，该问题在于，找到方向性的麦克风装置应当具有最高的灵敏度的空间方向，以及找到开放角的角度，超过该角度会提高灵敏度。明显的是，改善的方向性和灵敏度可以通过如下来实现，即，波束尽可能精确地指向感兴趣的声源并且尽可能窄地聚焦。
[0005]感兴趣的声源可以主要是说话者或语音信号，但是还可以考虑一系列其他可能性，例如音乐或提示信号。
[0006]从出版物US2011/0103620A1中公知一种用于再现具有多个扬声器的声音信号的方法。通过对各个扬声器信号进行合适的滤波来调整期望的空间再现特征。
[0007]从出版物US2012/0020503A1中公知一种助听设备，该助听设备利用用于声源分离的方法工作。在使用双耳麦克风装置的条件下确定声源的空间方向。通过双耳的接收器布置然后产生取决于确定的方向的声音输出信号。
[0008]从出版物US2007/0223754A1中公知一种助听设备，该助听设备确定声音信号的空间方向。基于所确定的空间声音信息然后将声音环境进行分类并且根据该分类来调整信号处理的传输特征。
[0009]从出版物US2010/0074460A1中公知一种助听设备，该助听设备确定声源的空间方向。然后将波束形成器指向所确定的方向，以便聚焦到涉及的声源。另外，空间方向可以根据头部的方向或用户的视线来确定。
[0010]从出版物US2010/0158289A1中公知一种助听设备，该助听设备利用一种用于对不同的声源进行“盲源分离”(Blind Source Separation)的方法工作。用户可以通过操作开关来先后选择不同的识别的声源。
[0011]从厂商西门子的助听设备中公知一种名称为SpeechFocus的方法，在该方法中，对声音环境自动地按照语音分量进行研究。如果语音分量被识别，则确定其空间方向。然后与来自于其他方向的信号相比更强地放大来自于该方向的声音信号。
[0012]在使用公知方法和装置的条件下，波束形成的最简单的可能性在于，假定，期望的源或期望的说话者位于助听器用户的正面，并且波束由此应当正面指向前，其中通过用户的头部运动改变波束方向。替换地，助听器可以借助一种用于处理麦克风信号的算法而独立于头部的方向将波束校准到期望的方向，其中波束方向例如可以通过遥控操作被控制。但是不利地，用户不能或几乎不能听到位于波束外部的源，并且由此也不能进行记录。此夕卜，必须通过遥控来控制波束对于用户来说不太舒服并且不太直观。
[0013]替换地，助听器能够自动分析可能感兴趣的声源的方向并且将波束自动地指向该方向，例如在厂商西门子的方法SpeechFocus中那样。但是这一点对于用户来说可能是令人迷惑的，因为助听器会在没有用户的影响的情况下自动地并且可能未预计地在不同的源之间来回跳变。此外连续适配的波束形成器改变双耳的“Cues，提示”，并且由此使用户难以定位感兴趣的源或者使得定位甚至是不可能的。
[0014]与波束方向不同，波束宽度通常是习惯上恒定的，或可以在不同的预先设置的开放角度之间由用户手动调整。

【发明内容】

[0015]本发明要解决的技术问题是，实现波束宽度和/或波束方向的自动适配，该适配可以被舒适地和直观地使用，在没有助听器用户协助的情况下避免了波束的不期望的聚焦，并且该适配以简单并易于操作的方式使用户也能够识别到波束范围以外的声源。
[0016]本发明的基本思路在于一种用于聚焦助听器的波束形成器的方法，包括步骤:
[0017]-采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置，
[0018]-在采集到头部运动停止时，取决于方向地采集声音信号，
[0019]-然后相对于来自于其他空间角度的声音信号，对来自于助听器用户的头部前面的焦点空间角度的声音信号更强地放大，并且由此激活或提高方向性，
[0020]-然后一直通过缩小焦点空间角度逐渐聚焦，并且由此提高方向性，直到来自于焦点空间角度的声音信号的电平，实际上是在焦点空间角度中的期望的信号的出现(纯理论上是在焦点空间角度中呈现期望的信号的概率)由于焦点空间角度缩小而减小。
[0021]在此，方向性是波束形成器的特性，该特性可以作为度量数(Mahahl)表示，该度量数越大表示波束形成器聚焦越多，也就是说波束的空间角度越小。通过提高波束形成器的方向性，例如通过提高与提到的度量数相应的、波束形成器的参数，使在波束中的信号相对于在外部的信号被更强地放大。所述方法在此控制波束形成器的提到的参数。
[0022]由此一旦用户将视线投向声源的方向，例如说话者的方向，头部不再运动并且然后就他而言聚焦该源，也就是说，目不转睛地注视该源，就有利地自动开始声音信号的取决于方向的、方向性的采集。对于头部运动的检测，在此必须预先给出合适的容差值或者说阈值，例如至少15°旋转，以便将无意的或不重要的最小的头部运动与重要的头部运动进行区分。聚焦的手动触发，例如通过按压助听器上的按键或借助遥控操作，是不需要的，这明显对该方法的使用中的实用性和舒适度作出贡献。
[0023]一种优选的设计方案在于另外的步骤:
[0024]-根据来自于焦点空间角度的声音信号识别在焦点空间角度中的声源，例如通过使用频率或频谱标准、4Hz语音调制检测器、贝叶斯检测器、或隐马尔科夫模型检测器，
[0025]-一直聚焦，直到在焦点空间角度中的声源的声音信号的出现由于焦点空间角度的减小而减小。
[0026]通过根据识别的声源控制或结束聚焦，提高如下概率，S卩，该方法实际上指向用户感兴趣的源进行聚焦，而不是例如指向独立于源的随机设置的焦点空间角度。
[0027]—种优选的设计方案在于另外的步骤:
[0028]-根据来自于焦点空间角度的声音信号识别焦点空间角度中的声源，例如通过使用频率或频谱标准、4Hz语音调制检测器、贝叶斯检测器、或隐马尔科夫模型检测器，
[0029]-确定声源所位于的空间方向，
[0030]-将焦点空间角度集中到该方向上。
[0031]通过焦点空间角度的按照方向的取向，使焦点更好地指向用户感兴趣的源。这一点然后使得可以通过窄的焦点空间角度实现更清晰的聚焦并且由此提高方向性。方向性的提闻又导致感兴趣的源彳目号的进一步提闻。
[0032]另一种优选的设计方案在于另外的步骤:
[0033]-然后采集来自于与焦点空间角度不同的空间角度的其他声音信号，
[0034]-根据其他声音信号采集其他声源，例如通过使用频率或频谱标准、4Hz语音调制检测器、贝叶斯检测器、或隐马尔科夫模型检测器，
[0035]-在采集到其他声源时,更强地放大其他声音信号。
[0036]-在更强地放大其他声音信号之后，采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置，
[0037]-在更强地放大其他声音信号之后的预定的时间段内采集到头部运动停止时，再次减弱该放大，
[0038]-在预定的时间段内采集到头部运动时，通过焦点空间角度的再次放大而进行散焦，并且然后进行按照上述方案中任一个所述的方法。
[0039]由此在该方法位于聚焦到源的状态期间，在对于用户的感觉来说仅突出该源的信号期间，围绕用户的其他空间搜索其他附加的源。如果找到这样的其他源，则通过将其加强地放大使其对于用户来说是可以感觉的，好像提示用户其他源的存在。如果用户通过头部运动或旋转来对此作出反应，则至此的焦点自动地失效并且进行新的聚焦。由此优选地也自动地开始新的聚焦并且不需要手动触发，这进一步对该方法的使用中的实用性和舒适度作出贡献。[0040]另一种优选的设计方案在于另外的步骤:
[0041]-在其他声源的采集停止的情况下，采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置，
[0042]-在采集到头部运动时，通过焦点空间角度的再放大或通过将取决于方向地采集声音信号变换成独立于方向地米集声音信号来进行散焦。
[0043]由此一旦用户将对分别刚刚聚焦的源的视线移开就自动结束聚焦，这对该方法的应用中的实用性和舒适度作出进一步贡献。
[0044]另一种优选的设计方案在于，仅当在采集头部运动停止之前先采集到头部运动时才进行该方法。由此避免了例如尽管用户没有转向任何声源，例如因为是非声音的源或因为用户不想将更多注意力投向任何源，还采用自动聚焦。
[0045]另一种优选的设计方案在于，仅当在聚焦之前采集到了在焦点空间角度中的声源时才进行该方法。由此防止了，尽管缺少声源还是被聚焦，这明显是没有意义的。
【专利附图】

【附图说明】
[0046]其他优点和扩展从从属权利要求中和从以下对实施例和附图的描述中得出。其中，
[0047]图1示出具有左和右助听器的用户，
[0048]图2示出助听器连同主要组件，
[0049]图3示出适应性波束形成器的信号处理组件，
[0050]图4示出用户和多个声源，
[0051]图5示出聚焦的波束，
[0052]图6不出波束外部的声源，
[0053]图7示出波束方向的改变，
[0054]图8示出新聚焦的波束，
[0055]图9示出聚焦和散焦的流程图。
【具体实施方式】
[0056]图1示意性以俯视图示出具有左助听器2和右助听器3的用户I。左和右助听器
2、3的麦克风分别被联合成一个方向性的麦克风装置，从而存在可能性，将各自的波束从用户I来看基本上要么指向前要么指向后。此外存在可能性，将左和右助听器2、3利用无线链路(e2e)相连，以便实现具有双耳麦克风装置的双耳配置。由此实现了从用户I来看基本上向右和向左的方向作为装置的其他波束方向。波束的自动聚焦既可以对于每个单耳助听器单独地(前面/后面地)进行也可以对于双耳装置(右/左)共同进行。
[0057]图2示意性示出了左和右助听器2、3连同主要的信号处理组件。助听器2、3相同构造并且必要时在其外部形状上相区别，以便考虑在左耳和右耳上的相应使用。左助听器2包括两个麦克风4、5，它们空间上分离地布置并且共同地形成方向性的麦克风装置。麦克风
4、5的信号通过信号处理装置11处理，所述信号处理装置将输出信号经过接收器8输出。电池10用于助听器2的能量供应。附加地设置运动传感器9，其在自动聚焦中的功能在下面解释。右助听器3包括麦克风6、7，它们同样被联合成一个方向性的麦克风装置。关于其他组件参见前面的描述。
[0058]图3示意性示出了自动聚焦的波束形成器的主要的信号处理组件。左助听器2的麦克风4、5的信号由波束形成器这样处理，使得形成从用户来看刚好正面地指向前面的波束(0°，“Broadside，宽面”)，其具有可变的波束宽度。可变的波束宽度与可变的方向性同义(更小的波束宽度意味着更高的方向性并且反之亦然，其中更高的方向性与更大的方向依赖性同义)。波束形成器以常规方式构造，例如作为固定的波束形成器的布置、作为固定的波束形成器与独立于方向的全向信号的混合、作为具有可变的波束宽度的波束形成器，
坐坐寸寸ο
[0059]波束形成器13的输出信号是期望的波束信号(所述波束信号包含了来自于波束的方向的全部声信号)、独立于方向的全向信号(所述全向信号包含在具有掺假的(unterverftiischten)双耳提示的所有方向上的全部的声源)和反信号(所述反信号包含了来自于波束外部的方向的全部声音信号)。
[0060]三个信号被传输到混合器19， 并且平行地传输到源检测器15、16、17。源检测器
15、16、17连续地确定感兴趣的声源(例如语音源)在这三个信号中存在的概率(或者类似的
度量)。
[0061]运动传感器9的任务是，采集助听器用户的头部运动，例如还有旋转，并且此外确定对于各自的运动的宽度的度量。常规的专门的硬件传感器是用于检测头部运动的最快的并且最可靠的可能性。然而同样还具有检测头部运动的其他可能性，例如基于声音信号的空间分析，或在使用附加的替换的传感器系统的条件下。头部运动检测器14分析运动传感器9的信号并且从中确定头部运动的方向和程度。
[0062]全部信号被传输到焦点控制器18，其根据信号确定波束宽度。确定的波束宽度由焦点控制器18然后传输到波束形成器13作为输入信号。焦点控制器除了波束宽度之外还控制混合器19，该混合器将前面解释的三个信号(全向、反、波束)混合并且传输到助听器信号处理器20。在助听器信号处理器20中将声音信号按照对于助听器来说通常的方式进一步处理并且放大地输出到接收器8。接收器8产生用于助听器用户的声音输出信号。
[0063]焦点控制器18优选作为有限状态机(FSM)实施，其有限状态在更下面解释。
[0064]这三个信号(全向、反、波束)由混合器19这样混合，使得用户获得自然清楚的空间信号。属于此的还有，不发生突然的过渡，而是缓和的过渡。在助听器信号处理器20中进行其他处理步骤，所述处理步骤特别地用于补偿或治疗用户的听力损伤。
[0065]在图4中示意性示出了一个示例情形。以俯视图示出了具有左和右助听器2、3的助听器用户I。正面地在用户I前面具有声源21，用户I将视线投向该声源的方向。各个助听器2、3的波束聚焦到声源21，其中波束宽度缩小到角度α?。由此使其他声源22位于波束外部，但是位于具有波束宽度α 2的波束内部。其他声源23位于波束外部更远并且几乎与用户I并排。
[0066]在图5至8中示意性解释了波束的自动聚焦的工作方式。图5中具有宽度β的波束聚焦到声源21。在图6中用户将其头部从源21移开并且移向源23。头部运动通过自动焦点控制器(或通过运动传感器)来检测。自动焦点控制器然后将波束散焦，方法是转换到信号全向。可选地，也可以通过如下来散焦，使得波束宽度调整到预先给出的、比聚焦状态明显更大的开放角度。[0067]图7中用户I将头部完全转向声源23。头部运动结束并且用户看着源23。头部运动的结束被检测，然后开始将波束自动聚焦到源23。在此必要时从独立于方向的全向信号转换到取决于方向的波束信号和/或将强烈增加的波束宽度逐渐减小。一直减小波束宽度，直到信号源23完全聚焦。波束宽度的进一步减小导致，源不再完全位于波束内部，从而使得源23的信号或其在波束信号中的分量减小。只要源23清晰聚焦(如图8中所示的角度β的情况)，波束的聚焦，即，波束的开放角度的减小就结束。波束角度的可能的过度的(dariiberhinausgegangene)减小又被撤销。
[0068]图9解释了有限状态机(FSM)的有限状态。FSM在状态“全向”40 (没有方向性，混合器输出信号“全向”)开始，方法是使助听器用户正常地并且独立于方向地倾听。用户在该状态中能够正常地定位声源。他可以将其头部以正常的和自然的方式运动和旋转，以便例如寻找感兴趣的声源，例如说话者。
[0069]一旦用户将其注意力转向一个源并且集中于该源，则他将头部转向该源的方向并且不再移动其头部。离开循环41。取而代之，FSM过渡到状态“聚焦”42中并且波束形成器的方向性被逐渐放大(该波束宽度被减小并且将相应更强地取决于方向的信号输出到用户)。由此在波束信号中该源的信号的分量增加并且混合器传输这样滤波的信号，方法是其仅仅或者主要输出信号“波束”。
[0070]—旦达到了最大的方向性(最小的波束宽度),这相应于前面在图5和图8中描述的状态，则波束信号中感兴趣的源信号的分量不再进一步提高。方向性不再改变(波束宽度不再减小)并且FSM离开循环43并且更替到状态“已经聚焦”44。在状态“已经聚焦”44中，自动的波束控制器连续地借助运动传感器监视用户的头部运动(循环47)。只要没有检测到头部运动，FSM就保持在状态“已经聚焦” 44。
[0071]此外连续地监视，是否在波束外部在信号“全向”和“反”中存在可能的感兴趣的声源。如果发现新的源，则FSM更替到状态“一瞥”45。在状态“一瞥”45中，包含了可能的其他源的全向信号的小部分由混合器混合到对于用户的输出信号中。由此用户意识到，存在其他源。如果用户没有转向该新的源，则他不移动其头部。自动的焦点控制器借助运动传感器确定这一点，并且又将全向信号的分量在一定的时间段之后调节回到零(淡出)，从而使用户又可以集中到已经聚焦了的信号。每次当新的源出现在声音环境中或者当声音环境明显改变时进行所描述的“一瞥”。
[0072]但是如果用户移动其头部，因为其愿意聚焦到新的信号或者简单地愿意关注该声音环境，这在前面的图6中示出，则检测到头部运动并且焦点控制器立即转换到全向信号，即，波束宽度又被强烈放大和/或混合器附加地或仅仅输出全向信号。这一点在图中通过元件46反映。
[0073]全向信号使得用户可以以所有不失真的空间提示关注声音环境，所述提示在波束信号中是失真的或缺少的。这一点使得用户可以正常定位声源。一旦用户集中于另外的声源，这相应于前面解释的图7，则FSM重新过渡到状态聚焦42。由此重新开始波束聚焦。
[0074]可以理解的是，为了用户的舒适的声音感觉，波束聚焦的以及混合器的全部状态柔和地并且在没有突然的步骤的情况下被更替。
[0075]前面解释的方法通过不同的波束形成器信号与头部运动检测器的组合实现了一种严格地依据人的方式的功能，即，全神贯注于不同的源。在此利用头部运动，以便为了控制波束形成器的目的利用对于自动的聚焦和快速的散焦的自然反馈。当用户不再移动其头部时，逐渐进行聚焦。在头部运动时的散焦或从波束信号到全向信号的过度快速进行，以便在改变的情况下快速提供具有所有空间信息的不失真的信号。一瞥的功能提供给用户如下可能性，一方面保持全神贯注于一个源，然而另一方面获得对新的源和变化的概览。
[0076]本发明的基本思路可以总结如下:本发明涉及一种用于聚焦助听器的波束形成器的方法。本发明的任务在于，实现可以舒适和直观利用的、波束宽度和/或波束方向的自动适配。本发明的基本思路在于一种用于聚焦助听器的波束形成器的方法，包括步骤:
[0077]-采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置，
[0078]-在采集到头部运动的停止时，取决于方向地采集声音信号，
[0079]-然后相对于来自于其他空间角度的声音信号，对来自于助听器用户的头部前面的焦点空间角度的声音信号的放大进行增强，并且由此激活或提高方向性，
[0080]-然后一直通过缩小焦点空间角度逐渐聚焦，并且由此提高方向性，直到来自于焦点空间角度的声音信号的电平，实际上是在焦点空间角度中的期望的信号的出现(纯理论上是在焦点空间角度中呈现期望的信号的概率)由于焦点空间角度缩小而减小。
[0081]由此一旦用户将视线投向一个声源，例如说话者并且然后目不转睛地注视该源时，优选地自动开始声音信号的取决于方向的、方向性的采集。
【权利要求】
1.一种用于聚焦助听器的波束形成器的方法，包括步骤: -采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置， -在采集到头部运动停止时，取决于方向地采集声音信号， -然后相对于来自于其他空间角度的声音信号，对来自于助听器用户的头部前面的焦点空间角度的声音信号更强地放大， -然后一直通过缩小焦点空间角度逐渐聚焦，直到来自于焦点空间角度的期望的声音信号的出现由于焦点空间角度缩小而减小。
2.根据权利要求1所述的方法，包括其他步骤: -根据来自于焦点空间角度的声音信号识别在焦点空间角度中的声源，例如通过使用频率或频谱标准、4Hz语音调制检测器、贝叶斯检测器、或隐马尔科夫模型检测器。
3.根据权利要求2所述的方法，包括其他步骤: -一直聚焦，直到在焦点空间角度中的声源的声音信号的出现由于焦点空间角度的减小而减小。
4.根据权利要求2或3所述的方法，包括其他步骤: -确定声源所位于的空间方向， -将焦点空间角度集中到该方向上。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括其他步骤: -然后采集来自于与焦点空间角度不同的空间角度的其他声音信号， -根据其他声音信号采集其他声源，例如通过使用频率或频谱标准、4Hz语音调制检测器、贝叶斯检测器、或隐马尔科夫模型检测器。
6.根据权利要求5所述的方法，包括其他步骤: -在采集到其他声源时，更强地放大其他声音信号， -在更强地放大其他声音信号之后，采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置， -在更强地放大其他声音信号之后的预定的时间段内采集到头部运动停止时，再次减弱该放大， -在预定的时间段内采集到头部运动时，通过再次放大焦点空间角度而进行散焦，并且然后进行按照上述权利要求中任一项所述的方法。
7.根据权利要求5所述的方法，包括其他步骤: -在其他声源的采集停止的情况下，采集助听器用户的头部的空间取向和/或位置， -在采集到头部运动时，通过再次放大焦点空间角度或通过将取决于方向地采集声音信号变换成独立于方向地采集声音信号来进行散焦。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，仅当在采集头部运动停止之前先采集到头部运动时才进行所述方法。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，仅当在聚焦之前采集到了在焦点空间角度中的声源时才进行所述方法。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在助听器中实施所述方法。
【文档编号】H04R1/32GK103475974SQ201310208249
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2012年6月6日
【发明者】V.布斯 申请人:西门子医疗器械公司